4-3电介质物理(6-7)

精细陶瓷
熔融石英
50°
27°
4-5
7
1×1016
1×1017
1×1013
6.5×1010
2013年春
二、 固体电介质的击穿
1. 概述
固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、 力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象
2013年春
固体电介质击穿的特点： 一是固体介质的击穿强度比气体和液体介质高 二是固体通常总是在气体或液体环境媒质中
（2）导电离子的迁移率
各种离子型载流子在电场作用下的运动是一种在热激活下 越过势垒的定向漂移。
某一种载流子的迁移率是： 单位电场作用下，该类载流子在电场方向的平均迁移速率。
2013年春
在固体中，离子型载流子的迁移率：
u u0 e
us KT
2
q u0 v0 kT
其中 u s 为载流子的活化能，即限制载流子跃迁的势垒高 度，q为载流子的等效电荷， 为载流子跃迁时平均步长， v0 为载流子在势阱中的局域振动频率
4.47
4.79 7.18 — — — 0.66 0.44
4.23
4.60 6.91 — — — 0.85 —
3. 电子电导
电介质可以看成是一种宽禁带的半导体，禁带宽度大于 3~5eV。 电介质的电子电导主要是由杂质本身以及由杂质形成的 各种缺陷，特别是俘获了电子或空穴的各种复合缺陷在 电场作用下发生电离造成的。此外，由外部电极注入材 料内部的电子所产生的影响也是不可忽视的。
T=1000k
ns N 10
11
2013年春
②杂质缺陷载流子
实际电介质材料中总是不可避免的存在着杂质的。有时候， 为了改进材料的某些性质还有意地添加各种类型的杂质， 称为掺杂改性。
为何利于电导？
杂质离子在晶格中产生点缺陷，破坏了晶格内部势场分布， 从而使得晶格中的载流子易于在电场的作用下运动，增大 电介质的电导；异价杂质离子还将在晶体中产生新的载流 子，使材料的电导大幅度地上升。
3
12
当电场较弱时，金属电极中的自由电子可以通过隧道效 应穿过金属-电介质界面处的势垒，直接注入到电介质中
当xm（势垒半宽度）非常小，以致与电子相关的德布罗 意波的波长相当时，电子便能通过隧道效应穿过高势垒 注入到电介质中。
2013年春
（2）电子的迁移率
可动电子与空穴，在电介质内部参与电流传导过程时， 可以分成两种运动类型: 漂移运动（Drift movement）和 跳跃运动（Hop-ping movement）。
2013年春
碱卤晶体中的活化能计算值（eV）
晶体 活化能类型 NaCl KCl KBr
正离子的晶格结合能
负离子的晶格结合能 正、负离子对的晶要和结合能 正离子扩散活化能 负离子扩散活化能 填隙离子扩散活化能 正、负离子空格点的结合能 正、负离子空格点的扩散活化能
2013年春
4.62
5.18 7.94 0.51 0.56 2.9 0.89 0.38
2013年春
要获得电介质导电过程的真实情况，需要排除前三种电流的 影响。这意味着需要长时间的把电压加在试样上，直到流过 的电流不随时间改变为止。
在工程应用中，常常取加电压后1min时的电流作为计算材料 电导率或电阻率的依据，当然这只能起一个相对比较的作用。
当需要仔细考察材料中的空间电荷和深能级陷阱电荷时，必 须取得真实的漏导电流值以作为研究的依据。
e v0 kT
2
其中 e 为限制局域电子跃迁的势垒高Baidu Nhomakorabea， 为两个施主电离中 心之间的平均距离，v 0 为电子在电离中心内的局域振动频率。
2013年春
（3）电子电导的特点
电介质材料的电子电导要比离子电导复杂得多。大部分电介质 的电子电导的温度关系也像离子电导一样遵循指数关系
u0 kT
复合缺陷本身在晶体中的迁移率相当低，它们对电导的 贡献常常可以略去。但是，复合缺陷在热离解后对于材 料的电导有贡献，因此影响材料电导率随温度的变化。
2013年春
晶体中杂质缺陷载流子的数量主要取决于材料的化学纯度以 及掺杂量，与温度无关。 对于许多实际材料，自然引入的杂质含量通常是以基质原子 数的10-6(ppm)计。对于经特殊纯化的物体，杂质含量则以 10-9 (ppb)计。 总结： 高纯物体的杂质载流子数仍然远离于环境温度下的热缺陷本征 载流子。因此物体在室温的离子电导主要取决于杂质含量。
2013年春
正常离子晶体的局部区域永远都是电中性的，正负电荷总量相等 异价离子本身或由其形成的空格点或填隙离子则不同，它 们本身的电荷量偏离了保持晶格电中性所要求的荷电量， 因而使得晶格的局部区域荷电。 举例：Ca2+占据Na+
至于填隙离子，则在填隙位置上额外地引入了填隙离子所 带的电量，其等效荷电量就等于离子的电价。
2013年春
热缺陷的结合能要比晶体的结合能低得多，但仍然相当高。 因此，在室温下，由于热激活而产生的肖特基缺陷和弗兰 克尔缺陷浓度非常低，对材料电导的影响并不大。 只有当晶体非常纯净，温度非常高时，热缺陷材料电导的 影响才逐渐显示出来。例如对于Nacl晶体，一对离子的结 合能约为8eV，而肖特基缺陷的激活能为2eV左右。

v Gv d A,
Gv 1 Rv
pv Rv A d
v 1 pv
2013年春
在恒定电压的作用下，流过固体电介质的电流是时间的函数。 在一般情况下，有以下几种电流需要考虑：
①介质极化的快速响应部分引起的充电电流
②介质极化的缓慢响应部分引起的充电电流 ③吸收电流
④不随时间而变的漏导电流
反之，如果基质或者杂质是禁带比较窄、能带结构复杂的过 渡金属氧化物，不仅要考虑到材料本身的能带结构，而且还 要考虑到杂质引起的晶格点缺陷的情况。举例：N,P型电导。
2013年春
③注入载流子
肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注入机制： 载流子由金属电极注入到电介质内部
2013年春
e E 4
b G s rs , a
a Rs s b
其中
rs
是表面电导率
2013年春
2013年春
材料
湿润角
莫氏硬 度
s
相对湿度0% 相对湿度98%
聚四氟乙烯
聚苯乙烯 有机玻璃
113°
98° 73°
1-2
2 2-3
5×1017
5×1017 5×1016
5×1017
5×1016 1.5×1016
综上，由异价杂质形成的这些点缺陷以其等效荷电量在电 场作用下定向漂移，从而对材料的电导作出贡献。
2013年春
当晶体中的点缺陷浓度较高时，一部分带有异号电荷的 点缺陷之间，或者与电子、空穴之间可能通过静电库仑 相互作用缔合在一起形成复合缺陷。
Ca V
Na
/ Na
Al
'
si
Na
i
漂移电子的迁移率
e e * m
2013年春
在电介质中，可动电子将使其周围的媒质发生极化，并使 其周围的晶格发生局部畸变。电子能量降低，“自陷”。
这种电子连同被它所极化了的周围媒质称为极化子，简称极 子(Poalron) 如果晶格的极化范围仅限于一个晶格常数，那么这种极子就称 为小极子。而如果极化区域扩展到几个晶格常数的区域，则称 为大极子。在许多电介质中，小极子对电流传导的作用是最重 要的。 极化子相当于有效质量很高的电子在金属中的漂移速度。
2013年春
跳跃运动： 如果电介质中的可动电子被束缚在施主电离中心上， 这种可动电子就不一定要进入导带通过漂移运动参与 电流传导过程，电子可以在邻近的施主电离中心之间 通过跳跃运动参与电流传导。
2013年春
跳跃电导过程与离子型载流子在电场作用下的迁移非常相似
e 0 e
0
a / kT
2013年春
（1）电子电导的载流子
①本征载流子 在典型的电介质中，本征电子电导并不重要 ②非本征载流子 电介质中参与电流传导的可动电子和空穴主要是由杂质 引入的 ③注入载流子 肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注入机制
2013年春
②非本征载流子
杂质对于材料电子结构的影响取决于基质和杂质本身的电子 结构。 对于金属氧化物来说，如果基质和杂质本身的禁带都很宽， 而且杂质并没有在晶格中产生点缺陷（相当于等价代换）， 那么掺杂不会使材料的电子结构发生明显的改变。
1. 概述
同体电介质的漏导电流I包 含了两个组成部分：
流过电介质体内的电流Iv和 沿着电介质表面流动的电流 Is，并有I=Iv+Is
2013年春
在一定的电压范围内，电介质的漏导电流与所加的电压成 正比，符合欧姆定律。
Gv v A d ,
R v pv d A
设电介质在垂直于电流流动方向的截面积 A m 2 ，电极 间的距离 d m ， 则其体积电导 Gv s 和体积电阻 Rv 为
2013年春
③
质子
质子是含有氢键物体中所特有的一种载流子。
在特殊情况下，质子可以在玻璃、聚合物等无定形物体中 传导电流。 质子电导与物体所吸附的水分有很大关系，并且对物体的 表面电导影响很大。 许多聚合物在98%相对湿度下，保持15-20天后，材料的表 面电导和体积电导可能增大2~15个数量级。
2013年春
5、其它击穿机制
电介质的电导
比较几组数据：
绝缘体Eg：>3-5ev 理想晶体：当Eg=0.6ev时，得到n=1012/cm3; 那么，当Eg=5ev时，得到n=10-20/cm3 电介质不是理想的绝缘体，总存在少量载流 子，每种载流子提供的电导率为：？？
2013年春
4.6.1固体电介质的电导
2013年春
4．表面电导
电介质的表面电导是与电介质的实际应用密切联系在一起的。 电介质的体积电导在很大程度上反映了材料本身的特征。 电介质的表面电导则不仅与介质材料本身的性质有关，而且 在更大程度上取决于材料表面的湿润、氧化和沾污状态。
2013年春
在固体电介质的情况下，表面电导 Gs S 与平行电极间的 距a成反比，与平行电极的长度b成正比，则：
第4章 电介质物理
4.6 固体电介质的电导与击穿 4.7复介电常数和介电谱的实验研究
2013年春
4.6 固体电介质的电导与击穿
1. 概述
4.6.1固体电介质的电导
2. 离子电导 3. 电子电导 4．表面电导 1. 概述 2、电击穿 3、热击穿 4、局部放电击穿
4.6.2 固体电介质的击穿
2013年春
边缘效应： 对固体进行击穿试验时，击穿往往发生在 击穿强度比较低的气体或液体环境媒质中 三是固体介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样 中留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕。
2013年春
2、电击穿
当固体电介质承受的电压超过一定的数值VB时，就使 其中相当大的电流通过，使介质丧失绝缘性能，这个 过程就是电击穿。 击穿场强
r A0 e
这主要是因为参与传导的载流电子（空穴）是从各种类型 的电离中心上通过热激活过程产生的
2013年春
电子电导的另一个重要特点是电流传导的非线性关系。
大部分电介质的离子电导是线性的，传导电流正比于所加的 电压，符合欧姆定律。 但是对电子电导而言，由于普尔-弗兰克尔效应和肖特基效应， 在不十分高的电场下，参与电流传导的载流电子数与所加的 电场有关。这就使得电流随电压的增加比欧姆定律所预期的 来得快。这时电导率r是电场的函数，并且电场越高，r越大。 在很强的电场下，隧道注入开始起作用。在强电场下，电介 质内部还可能会发生中性分子的电离。这就使得电流随着电 压很快上升，以致丧失绝缘能力。
2013年春
电导的分类（按载流子）
①离子电导或电解电导 ②离化分子电导或电泳电导 ③电子电导
2013年春
2. 离子电导
法拉弟电解实验 固体电介质中离子电导的直接实验证据是利用法拉弟电解 实验给出的，把被考察的试样放在两个电极之间，长时间 地加上直流电压并记录其流过的电量。 根据流过的电量以及电极和试样在通电前后的重量变化就 可以得出传导离子及其数量的结果。 举例：在AgCl中，电导主要是由Ag+正离子提供的
2013年春
（1）离子电导的载流子
①本征缺陷载流子 ②杂质缺陷载流子 ③质子
2013年春
①本征缺陷载流子
离子晶体中，束缚在晶格结点上的正、负离子在一般情况 下是不能参与导电的。 只有少量因热缺陷而产生的，脱离格点的填隙离子及空格 点的正负离子才能够在电场的作用下作定向运动，参与导 电过程。它们就是本征缺陷载流子。 离子晶体中的热缺陷主要有肖特基（Shottky）缺陷和弗兰 克尔（Frenkel）缺陷两种。